微机电系统制程 Microfabrication technology 第八讲：干法刻蚀
乔大勇 谢建兵 马志波
课程内容
一 一 光刻
干法刻蚀 等离子基础 反应离子刻蚀 深度反应离子刻蚀
干法刻蚀
为什么要进行干法刻蚀
腐蚀参数 腐蚀偏差 腐蚀图形 刻蚀速率 选择性 设备价格 产率 化学试剂使用 湿法腐蚀 >3微米 同性或异性 高，可控 高，不可控 低 高（可批量化） 大量 干法刻蚀 非常小 可控 可接受，可控 可接受，可控 高 可接受 少量
干法刻蚀
为什么要进行干法刻蚀
两类腐蚀方法的比较 腐蚀类别 腐蚀材料 Silicon 湿法腐蚀 Silicon Nirtide Silicon Oxide Al Silicon, Polysilicon 干法刻蚀 Silicon Nitride Silicon Oxide Al 腐蚀试剂 KOH, TMAH,EDP H3PO4 HF H3PO4 SF6 CF4 CHF3 Cl2
干法刻蚀
干法刻蚀包括：光子束刻蚀、中子刻蚀和等离子刻蚀等多 种形式。在半导体技术中，等离子刻蚀是干法刻蚀中最常用的 技术。 等离子体采用射频技术产生，以SF6为例，其中包括中性粒 子、电子(e)、活性自由基(F)、带正电的粒子(SF5+)和带负电 的离子(F-)。 其中带正电离子的作用是在暗区电场的加速作用下，实现 对目标的物理轰击，而活性自由基的作用则是吸附在目标表面 上并与目标材料发生化学反应生成挥发性产物。物理轰击能够 促进化学反应的进行，并通过溅射去除淀积在目标表面的反应 副产物。
等离子基础
宇宙中90％物质处于等离子体态，闪电和极光是自然界重的等 离子体。所有的恒星，都是高温等离子体的聚合。所有生命也 起源于等离子体状态。
等离子基础
等离子体-产生
等离子基础
等离子体-产生
等离子基础
等离子体-产生
Sheath
eAr eAr e-
gas
Ar+ Ar+ Ar+
-V+ RF 13.56MHz, 1000W
等离子基础
等离子体-产生
跃迁
Excitation(激发）
e + A → A* + e
对于CF4，激发需要4.0eV的能量。其中，*符号代表激发态原子，激发态只 能持续十亿分之一秒到几秒，就会通过通过驰豫跃迁回基态
等离子基础
等离子体-产生
Relaxation(驰豫) A* → A + hν ( Photos )
在驰豫的过程中会发射光子。由于不同原子或分子的频率不同，不同气体 等离子体的颜色也不同
等离子基础
等离子体-产生
Dissociation(分裂) e +
AB → A + B + e
对于CF4，分裂需要12.5eV的能量。分裂产生的自由分子或原子比分裂前更 容易发生发应，非常具有活性，称为活性自由基，是化学刻蚀的基础
等离子基础
等离子体-产生
Ionization(电离)
e + A → A + + 2e
对于CF4，电离需要15.5eV的能量。太阳中心的电离率是100％，而在大多 数等离子体设备中，电离率都小于0.001%，电离维持了等离子的存在。
等离子基础
等离子体-产生 激发和驰豫过程使得等离子体发光 分裂过程形成了具有化学活性的分子或原子（活性自 由基），是等离子体进行化学刻蚀的基础 电离过程中形成更多的电子和离子，能够维持等离子 体的存在，并借助离子的轰击作用实现物理刻蚀。
等离子基础
等离子体-在刻蚀中的作用
SF2是挥发性的但不能自行解吸 附，需要离子辅助解吸附 SF3是不挥发性的 SF4是挥发性的，可以自行解吸 附
CF →F + CF 4 3 CF + e ?CF + F + 2e 4 3 Si+ 4F →SiF ↑ 4
特气名称 氯基：Cl2, BCl3 氟基：SF4, CF4, CHF3 氧基：O2, O3, CO2, H2O
+
刻蚀对象 Al合金, Ti, TiN, 光刻胶 W, TiW, SiO2, 光刻胶 光刻胶
等离子基础
等离子体-在刻蚀中的作用
第三个氟原子或者促使 SF2解吸附离开基底表面
2 1
所形成SF3直到与第四个氟原子结 合形成挥发性的SF4并自行解吸附 离开基底表面
4
前两个氟原子与 硅形成挥发性的 SF2，但其不能自 行解吸附而离开 基底表面
3
或者与SF2结合形成SF3不挥发性物质
等离子基础
等离子体-在淀积中的作用
e + SiH 4 → SiH 2 + 2 H + e e + N 2O → N 2 + O + e
? ?
?
?
SiH 2 + 3O → SiO2 + H 2 O
硅烷和笑气在等离子氛围下生成二氧化硅，在等离子的辅 助作用下，可以在较低的温度下获得较高的反应速率，这 种反应叫做PECVD(Plasma enhanced CVD)。
等离子基础
等离子体-等离子电势
Vp -V+ RF Ar+ Plasma e-
Ar
Pump
等离子基础
等离子体-自偏压
Target Ar+ Plasma
Vp
-V+ RF
e-
Wafer Ar Pump
VDC
等离子基础
等离子体-自偏压和极板面积关系
V P ? V DC ? A2 ? =? ? ?A ? VP ? 1?
4
VDC介于200V～1000V